PyTorch-Tutorial: Beispiel für Regression und Bildklassifizierung

By: Evelyn Clarke Evelyn Clarke
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Zusammenfassung des Pytorch-Tutorials

In diesem PyTorch-Tutorial lernen Sie alle Konzepte von Grund auf. Dieses Tutorial behandelt grundlegende und fortgeschrittene Themen wie die PyTorch-Definition, Vor- und Nachteile von PyTorch, Vergleich, Installation, PyTorch-Framework, Regression und Bildklassifizierung. Dieses PyTorch-Tutorial ist absolut kostenlos.

Was ist PyTorch?

PyTorch ist eine Open-Source-basierte Machine-Learning-Bibliothek für die Verarbeitung natürlicher Sprache mit Python. Es ähnelt NumPy, bietet aber leistungsstarke GPU-Unterstützung. Es bietet dynamische Computergraphen, die Sie mithilfe von Autograd unterwegs ändern können. PyTorch ist auch schneller als einige andere Frameworks. Es wurde 2016 von der AI Research Group von Facebook entwickelt.

Vor- und Nachteile von PyTorch

Im Folgenden sind die Vor- und Nachteile von PyTorch aufgeführt:

Vorteile von PyTorch

  1. Einfache Bibliothek
    PyTorch-Code ist einfach. Es ist leicht zu verstehen und Sie können die Bibliothek sofort nutzen. Schauen Sie sich zum Beispiel den folgenden Codeausschnitt an:
class Net(torch.nn.Module):
   def __init__(self):
       super(Net, self).__init__()
       self.layer = torch.nn.Linear(1, 1)

   def forward(self, x):
       x = self.layer(x)      
       return x

Wie oben erwähnt, können Sie das Netzwerkmodell einfach definieren und den Code ohne große Schulung schnell verstehen.

  1. Dynamisches Computerdiagramm

Dynamisches Computerdiagramm

Bildquelle: Erforschung von Deep Learning mit PyTorch

Pytorch bietet Dynamic Computational Graph (DAG). Computational Graphs sind eine Möglichkeit, mathematische Ausdrücke in Graphmodellen oder Theorien wie Knoten und Kanten auszudrücken. Der Knoten führt die mathematische Operation aus und die Kante ist ein Tensor, der in die Knoten eingespeist wird und die Ausgabe des Knotens im Tensor überträgt.

DAG ist ein Graph, der beliebige Formen annehmen kann und Operationen zwischen verschiedenen Eingabegraphen durchführen kann. Bei jeder Iteration wird ein neuer Graph erstellt. Es ist also möglich, dieselbe Graphstruktur zu haben oder mit einer anderen Operation einen neuen Graphen zu erstellen. Wir können ihn auch als dynamischen Graphen bezeichnen.

  1. Bessere Leistung

Communities und Forscher vergleichen und vergleichen Frameworks, um herauszufinden, welches schneller ist. Ein GitHub-Repo Benchmark für Deep Learning Frameworks und GPUs berichtete, dass PyTorch in Bezug auf die pro Sekunde verarbeiteten Bilder schneller ist als das andere Framework.

Wie Sie unten sehen können, sind die Vergleichsdiagramme mit vgg16 und resnet152

Vorteile von PyTorch

Vorteile von PyTorch

  1. Ureinwohner Python

PyTorch basiert eher auf Python. Wenn Sie beispielsweise ein Modell trainieren möchten, können Sie native Kontrollflüsse wie Schleifen und Rekursionen verwenden, ohne dass weitere spezielle Variablen oder Sitzungen hinzugefügt werden müssen, um sie ausführen zu können. Dies ist sehr hilfreich für den Trainingsprozess.

Pytorch implementiert auch Imperative Programming und ist definitiv flexibler. So ist es möglich, den Tensorwert mitten im Berechnungsprozess auszudrucken.

Nachteil von PyTorch

PyTorch erfordert Anwendungen von Drittanbietern für die Visualisierung. Für die Produktion ist außerdem ein API-Server erforderlich.

Als nächstes lernen wir in diesem PyTorch-Tutorial den Unterschied zwischen PyTorch und TensorFlow kennen.

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PyTorch vs. Tensorflow

Parameter PyTorch Tensorflow
Modelldefinition Das Modell ist in einer Unterklasse definiert und bietet ein benutzerfreundliches Paket Das Modell ist mit vielen definiert und Sie müssen die Syntax verstehen
GPU-Unterstützung Ja Ja
Diagrammtyp Dynamisch Statisch
Werkzeuge Kein Visualisierungstool Sie können das Visualisierungstool Tensorboard verwenden
Community Die Community wächst weiter Große aktive Gemeinschaften

PyTorch installieren

Linux

Die Installation unter Linux ist unkompliziert. Sie können wählen, ob Sie eine virtuelle Umgebung verwenden oder diese direkt mit Root-Zugriff installieren möchten. Geben Sie diesen Befehl im Terminal ein

pip3 install --upgrade torch torchvision

AWS Sagemaker

Sagemaker ist eine der Plattformen in Amazon Internetservice Das bietet eine leistungsstarke Machine-Learning-Engine mit vorinstallierten Deep-Learning-Konfigurationen für Datenwissenschaftler oder Entwickler zum Erstellen, Trainieren und Bereitstellen von Modellen in jedem Maßstab.

Öffnen Sie zuerst die Amazon Sagemaker Konsole und klicken Sie auf „Notebook-Instanz erstellen“ und geben Sie alle Details für Ihr Notebook ein.

AWS Sagemaker

Klicken Sie im nächsten Schritt auf „Öffnen“, um Ihre Notebook-Instanz zu starten.

AWS Sagemaker

Endlich, In JupyterKlicken Sie auf „Neu“ und wählen Sie „conda_pytorch_p36“ und Sie können Ihre Notebook-Instanz mit installiertem Pytorch verwenden.

Als nächstes lernen wir in diesem PyTorch-Tutorial die Grundlagen des PyTorch-Frameworks kennen.

Grundlagen des PyTorch-Frameworks

Lassen Sie uns die grundlegenden Konzepte von PyTorch lernen, bevor wir tiefer eintauchen. PyTorch verwendet Tensor für jede Variable, ähnlich wie Numpys ndarray, jedoch mit GPU-Berechnungsunterstützung. Hier erklären wir das Netzwerkmodell, die Verlustfunktion, Backprop und den Optimizer.

Netzwerkmodell

Das Netzwerk kann durch Unterklassen von Torch.nn erstellt werden. Es gibt 2 Hauptteile,

  1. Der erste Teil besteht darin, die Parameter und Ebenen zu definieren, die Sie verwenden werden
  2. Der zweite Teil ist die Hauptaufgabe, der sogenannte Vorwärtsprozess, der eine Eingabe entgegennimmt und die Ausgabe vorhersagt.
Import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Model(nn.Module):
 def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 20, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(20, 40, 5)
self.fc1 = nn.Linear(320, 10)

def forward(self, x):
       x = F.relu(self.conv1(x))
       x = F.relu(self.conv2(x))
       x = x.view(-1, 320)
       x = F.relu(self.fc1(x))
       return F.log_softmax(x)

net = Model()

Wie Sie oben sehen können, erstellen Sie eine Klasse von nn.Module namens Model. Es enthält 2 Conv2d-Ebenen und eine lineare Ebene. Die erste conv2d-Schicht nimmt eine Eingabe von 3 und die Ausgabeform von 20 an. Die zweite Schicht nimmt eine Eingabe von 20 an und erzeugt eine Ausgabeform von 40. Die letzte Schicht ist eine vollständig verbundene Schicht in der Form 320 und erzeugt eine Ausgabe von 10.

Der Weiterleitungsprozess nimmt eine Eingabe von X und leitet sie an die conv1-Ebene weiter und führt die ReLU-Funktion aus.

In ähnlicher Weise wird auch die conv2-Ebene gespeist. Danach wird das x in (-1, 320) umgeformt und in die endgültige FC-Ebene eingespeist. Bevor Sie die Ausgabe senden, verwenden Sie die Softmax-Aktivierungsfunktion.

Der Rückwärtsprozess wird automatisch von Autograd definiert, sodass Sie nur den Vorwärtsprozess definieren müssen.

Verlustfunktion

Mithilfe der Verlustfunktion wird gemessen, wie gut das Vorhersagemodell die erwarteten Ergebnisse vorhersagen kann. PyTorch verfügt bereits über viele Standardverlustfunktionen im Torch.nn-Modul. Beispielsweise können Sie den Cross-Entropy Loss verwenden, um ein PyTorch-Klassifizierungsproblem mit mehreren Klassen zu lösen. Es ist einfach, die Verlustfunktion zu definieren und die Verluste zu berechnen:

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()

#training process
loss = loss_fn(out, target)

Mit PyTorch können Sie ganz einfach Ihre eigene Verlustfunktionsberechnung verwenden.

Backprop

Um die Backpropagation durchzuführen, rufen Sie einfach los.backward() auf. Der Fehler wird berechnet, aber denken Sie daran, den vorhandenen Farbverlauf mit „zero_grad()“ zu löschen.

net.zero_grad() # to clear the existing gradient
loss.backward() # to perform backpropragation

Optimierer

torch.optim stellt allgemeine Optimierungsalgorithmen bereit. Sie können einen Optimierer mit einem einfachen Schritt definieren:

optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr = 0.01, momentum=0.9)

Sie müssen die Netzwerkmodellparameter und die Lernrate übergeben, damit die Parameter bei jeder Iteration nach dem Backprop-Prozess aktualisiert werden.

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Einfache Regression mit PyTorch

Lassen Sie uns die einfache Regression anhand von PyTorch-Beispielen lernen:

Schritt 1) ​​Erstellen unseres Netzwerkmodells

Unser Netzwerkmodell ist eine einfache lineare Schicht mit einer Eingabe- und einer Ausgabeform von 1.

from __future__ import print_function

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.autograd import Variable

class Net(nn.Module):
   def __init__(self):
       super(Net, self).__init__()
       self.layer = torch.nn.Linear(1, 1)

   def forward(self, x):
       x = self.layer(x)      
       return x

net = Net()
print(net)

Und die Netzwerkausgabe sollte so sein

Net(
  (hidden): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=True)
)

Schritt 2) Testdaten

Bevor Sie mit dem Trainingsprozess beginnen, müssen Sie unsere Daten kennen. Sie erstellen eine Zufallsfunktion, um unser Modell zu testen. Y = x3 sin(x)+ 3x+0.8 rand(100)

# Visualize our data
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.random.rand(100)
y = np.sin(x) * np.power(x,3) + 3*x + np.random.rand(100)*0.8

plt.scatter(x, y)
plt.show()

Hier ist das Streudiagramm unserer Funktion:

Streudiagramm der einfachen Regression mit PyTorch

Bevor Sie mit dem Trainingsprozess beginnen, müssen Sie das Numpy-Array in Variablen konvertieren, die von Torch und Autograd unterstützt werden, wie im folgenden PyTorch-Regressionsbeispiel gezeigt.

# convert numpy array to tensor in shape of input size
x = torch.from_numpy(x.reshape(-1,1)).float()
y = torch.from_numpy(y.reshape(-1,1)).float()
print(x, y)

Schritt 3) Optimierer und Verlust

Als nächstes sollten Sie den Optimierer und die Verlustfunktion für unseren Trainingsprozess definieren.

# Define Optimizer and Loss Function
optimizer = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr=0.2)
loss_func = torch.nn.MSELoss()

Schritt 4) Schulung

Beginnen wir nun mit unserem Trainingsprozess. Mit einer Epoche von 250 iterieren Sie unsere Daten, um den besten Wert für unsere Hyperparameter zu finden.

inputs = Variable(x)
outputs = Variable(y)
for i in range(250):
   prediction = net(inputs)
   loss = loss_func(prediction, outputs) 
   optimizer.zero_grad()
   loss.backward()        
   optimizer.step()       

   if i % 10 == 0:
       # plot and show learning process
       plt.cla()
       plt.scatter(x.data.numpy(), y.data.numpy())
       plt.plot(x.data.numpy(), prediction.data.numpy(), 'r-', lw=2)
       plt.text(0.5, 0, 'Loss=%.4f' % loss.data.numpy(), fontdict={'size': 10, 'color':  'red'})
       plt.pause(0.1)

plt.show()

Schritt 5) Ergebnis

Wie Sie unten sehen können, haben Sie die PyTorch-Regression erfolgreich mit einem neuronalen Netzwerk durchgeführt. Tatsächlich wird die rote Linie im Diagramm bei jeder Iteration aktualisiert und ändert ihre Position, um sie an die Daten anzupassen. In diesem Bild wird Ihnen jedoch nur das Endergebnis angezeigt, wie im folgenden PyTorch-Beispiel gezeigt:

Streudiagramm des Ergebnisses der einfachen Regression

Beispiel für die Bildklassifizierung mit PyTorch

Eine der beliebtesten Methoden, um die Grundlagen zu erlernen tiefe Lernen ist mit dem MNIST-Datensatz. Es ist das „Hallo Welt“ im Deep Learning. Der Datensatz enthält handgeschriebene Zahlen von 0 – 9 mit insgesamt 60,000 Trainingsproben und 10,000 Testproben, die bereits mit der Größe von 28×28 Pixeln beschriftet sind.

Bildklassifizierung mit PyTorch

Schritt 1) ​​Verarbeiten Sie die Daten vor

Im ersten Schritt dieses PyTorch-Klassifizierungsbeispiels laden Sie den Datensatz mit dem Torchvision-Modul.

Bevor Sie mit dem Trainingsprozess beginnen, müssen Sie die Daten verstehen. Torchvision lädt den Datensatz und transformiert die Bilder mit den entsprechenden Anforderungen für das Netzwerk, z. B. der Form und der Normalisierung der Bilder.

import torch
import torchvision
import numpy as np
from torchvision import datasets, models, transforms

# This is used to transform the images to Tensor and normalize it
transform = transforms.Compose(
   [transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])

training = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=True,
                                       download=True, transform=transform)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(training, batch_size=4,
                                         shuffle=True, num_workers=2)

testing = torchvision.datasets.MNIST(root='./data', train=False,
                                      download=True, transform=transform)
test_loader = torch.utils.data.DataLoader(testing, batch_size=4,
                                        shuffle=False, num_workers=2)

classes = ('0', '1', '2', '3',
          '4', '5', '6', '7', '8', '9')
         
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

#create an iterator for train_loader
# get random training images
data_iterator = iter(train_loader)
images, labels = data_iterator.next()

#plot 4 images to visualize the data
rows = 2
columns = 2
fig=plt.figure()
for i in range(4):
   fig.add_subplot(rows, columns, i+1)
   plt.title(classes[labels[i]])
   img = images[i] / 2 + 0.5     # this is for unnormalize the image
   img = torchvision.transforms.ToPILImage()(img)
   plt.imshow(img)
plt.show()

Die Transformationsfunktion wandelt die Bilder in Tensor um und normalisiert den Wert. Die Funktion Torchvision.transforms.MNIST lädt den Datensatz (sofern er nicht verfügbar ist) in das Verzeichnis herunter, legt den Datensatz bei Bedarf für das Training fest und führt den Transformationsprozess durch.

Um den Datensatz zu visualisieren, verwenden Sie den data_iterator, um den nächsten Stapel von Bildern und Beschriftungen abzurufen. Sie verwenden Matplot, um diese Bilder und ihre entsprechende Beschriftung zu plotten. Wie Sie unten sehen können, sind unsere Bilder und ihre Beschriftungen.

Beispiel für die Bildklassifizierung mit PyTorch

Schritt 2) Netzwerkmodellkonfiguration

In diesem PyTorch-Beispiel erstellen Sie nun ein einfaches neuronales Netzwerk für die PyTorch-Bildklassifizierung.

Hier stellen wir Ihnen eine weitere Möglichkeit vor, das Netzwerkmodell in PyTorch zu erstellen. Wir werden nn.Sequential verwenden, um ein Sequenzmodell zu erstellen, anstatt eine Unterklasse von nn.Module zu erstellen.

import torch.nn as nn

# flatten the tensor into 
class Flatten(nn.Module):
   def forward(self, input):
       return input.view(input.size(0), -1)

#sequential based model
seq_model = nn.Sequential(
           nn.Conv2d(1, 10, kernel_size=5),
           nn.MaxPool2d(2),
           nn.ReLU(),
           nn.Dropout2d(),
           nn.Conv2d(10, 20, kernel_size=5),
           nn.MaxPool2d(2),
           nn.ReLU(),
           Flatten(),
           nn.Linear(320, 50),
           nn.ReLU(),
           nn.Linear(50, 10),
           nn.Softmax(),
         )

net = seq_model
print(net)

Hier ist die Ausgabe unseres Netzwerkmodells

Sequential(
  (0): Conv2d(1, 10, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (2): ReLU()
  (3): Dropout2d(p=0.5)
  (4): Conv2d(10, 20, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (5): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
  (6): ReLU()
  (7): Flatten()
  (8): Linear(in_features=320, out_features=50, bias=True)
  (9): ReLU()
  (10): Linear(in_features=50, out_features=10, bias=True)
  (11): Softmax()
)

Netzwerkerklärung

  1. Die Reihenfolge ist, dass die erste Ebene eine Conv2D-Ebene mit einer Eingabeform von 1 und einer Ausgabeform von 10 mit einer Kernelgröße von 5 ist
  2. Als nächstes haben Sie eine MaxPool2D-Ebene
  3. Eine ReLU-Aktivierungsfunktion
  4. eine Dropout-Ebene, um Werte mit geringer Wahrscheinlichkeit zu löschen.
  5. Dann ein zweites Conv2d mit der Eingabeform 10 aus der letzten Ebene und der Ausgabeform 20 mit einer Kernelgröße von 5
  6. Als nächstes eine MaxPool2d-Ebene
  7. ReLU-Aktivierungsfunktion.
  8. Danach glätten Sie den Tensor, bevor Sie ihn in die lineare Ebene einspeisen
  9. Die lineare Ebene ordnet unsere Ausgabe der zweiten linearen Ebene mit der Softmax-Aktivierungsfunktion zu

Schritt 3)Trainieren Sie das Modell

Bevor Sie mit dem Trainingsprozess beginnen, müssen Sie das Kriterium und die Optimierungsfunktion einrichten.

Als Kriterium verwenden Sie CrossEntropyLoss. Als Optimierer verwenden Sie SGD mit einer Lernrate von 0.001 und einem Momentum von 0.9, wie im folgenden PyTorch-Beispiel gezeigt.

import torch.optim as optim

criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

Der Weiterleitungsprozess nimmt die Eingabeform an und übergibt sie an die erste conv2d-Ebene. Von dort aus wird es dann in maxpool2d eingespeist und schließlich in die ReLU-Aktivierungsfunktion eingefügt. Der gleiche Vorgang findet in der zweiten conv2d-Ebene statt. Danach wird die Eingabe in (-1,320) umgeformt und in die fc-Schicht eingespeist, um die Ausgabe vorherzusagen.

Jetzt beginnen Sie mit dem Trainingsprozess. Sie durchlaufen unseren Datensatz zweimal oder mit einer Epoche von 2 und drucken den aktuellen Verlust alle 2 Chargen aus.

for epoch in range(2): 

#set the running loss at each epoch to zero
   running_loss = 0.0
# we will enumerate the train loader with starting index of 0
# for each iteration (i) and the data (tuple of input and labels)
   for i, data in enumerate(train_loader, 0):
       inputs, labels = data

# clear the gradient
       optimizer.zero_grad()

#feed the input and acquire the output from network
       outputs = net(inputs)

#calculating the predicted and the expected loss
       loss = criterion(outputs, labels)

#compute the gradient
       loss.backward()

#update the parameters
       optimizer.step()

       # print statistics
       running_loss += loss.item()
       if i % 1000 == 0:
           print('[%d, %5d] loss: %.3f' %
                 (epoch + 1, i + 1, running_loss / 1000))
           running_loss = 0.0

In jeder Epoche erhält der Enumerator das nächste Eingabetupel und die entsprechenden Beschriftungen. Bevor wir die Eingabe in unser Netzwerkmodell einspeisen, müssen wir den vorherigen Gradienten löschen. Dies ist erforderlich, da der Gradient nach dem Rückwärtsprozess (Backpropagation-Prozess) akkumuliert und nicht ersetzt wird. Dann berechnen wir die Verluste aus der vorhergesagten Ausgabe aus der erwarteten Ausgabe. Danach führen wir eine Backpropagation durch, um den Gradienten zu berechnen, und schließlich aktualisieren wir die Parameter.

Hier ist die Ausgabe des Trainingsprozesses

[1, 	1] loss: 0.002
[1,  1001] loss: 2.302
[1,  2001] loss: 2.295
[1,  3001] loss: 2.204
[1,  4001] loss: 1.930
[1,  5001] loss: 1.791
[1,  6001] loss: 1.756
[1,  7001] loss: 1.744
[1,  8001] loss: 1.696
[1,  9001] loss: 1.650
[1, 10001] loss: 1.640
[1, 11001] loss: 1.631
[1, 12001] loss: 1.631
[1, 13001] loss: 1.624
[1, 14001] loss: 1.616
[2, 	1] loss: 0.001
[2,  1001] loss: 1.604
[2,  2001] loss: 1.607
[2,  3001] loss: 1.602
[2,  4001] loss: 1.596
[2,  5001] loss: 1.608
[2,  6001] loss: 1.589
[2,  7001] loss: 1.610
[2,  8001] loss: 1.596
[2,  9001] loss: 1.598
[2, 10001] loss: 1.603
[2, 11001] loss: 1.596
[2, 12001] loss: 1.587
[2, 13001] loss: 1.596
[2, 14001] loss: 1.603

Schritt 4) Testen Sie das Modell

Nachdem Sie unser Modell trainiert haben, müssen Sie es mit anderen Bildsätzen testen oder bewerten.

Wir verwenden einen Iterator für den Testlader. Dieser generiert einen Stapel von Bildern und Beschriftungen, die an das trainierte Modell übergeben werden. Die vorhergesagte Ausgabe wird angezeigt und mit der erwarteten Ausgabe verglichen.

#make an iterator from test_loader
#Get a batch of training images
test_iterator = iter(test_loader)
images, labels = test_iterator.next()

results = net(images)
_, predicted = torch.max(results, 1)

print('Predicted: ', ' '.join('%5s' % classes[predicted[j]] for j in range(4)))

fig2 = plt.figure()
for i in range(4):
   fig2.add_subplot(rows, columns, i+1)
   plt.title('truth ' + classes[labels[i]] + ': predict ' + classes[predicted[i]])
   img = images[i] / 2 + 0.5     # this is to unnormalize the image
   img = torchvision.transforms.ToPILImage()(img)
   plt.imshow(img)
plt.show()

Beispiel für die Bildklassifizierung mit PyTorch

Zusammenfassung

  • PyTorch ist eine Open-Source-Torch-basierte Lösung Maschinelles lernen Bibliothek für Verarbeitung natürlicher Sprache mit automatisierten Python.
  • Vorteile von PyTorch: 1) Einfache Bibliothek, 2) Dynamischer Rechengraph, 3) Bessere Leistung, 4) Native Python
  • PyTorch verwendet Tensor für jede Variable, ähnlich wie numpys ndarray, jedoch mit Unterstützung für GPU-Berechnungen.
  • Eine der beliebtesten Methoden zum Erlernen der Grundlagen des Deep Learning ist der MNIST-Datensatz.

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